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AGRUPACIONES DE ANTENAS

Arrays. Redes de alimentación en arrays

Manuel Sierra Castañer

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Índice

! Definición de array! Tipos de agrupaciones! Alimentaciones de arrays con un solo haz

! Alimentación paralelo! Alimentación serie! Otros tipos de alimentación

! Alimentación de arrays con varios haces! Redes de Butler! Redes de Blass y Nolen! Lentes multihaz

! Redes de alimentación activas: control electrónico del haz ! Acoplos en arrays. Impedancia y diagrama activo.

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¿Que es una agrupación de antenas?

• Definición: – Conjunto de antenas– Alimentadas desde un terminal común– Mediante redes lineales

• Se suelen incluir las condiciones:– Todos los elementos son iguales– Todos poseen la misma orientación

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Elementos utilizados para formar agrupaciones

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Tipos de agrupaciones

! Según su geometría! Lineales! Planas! Conformadas

! Cilíndricas! Esféricas

! Según su funcionamiento! Pasivas

! Un solo haz! Multihaz

! Activas! Adaptativas

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Agrupaciones lineales

! Elementos situados a lo largo de una línea recta! Equiespaciados (Variables N, d)! No equiespaciados (Variables: N, xi)

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Ejemplos arrays lineales

Antena GSM de estación base

Tres agrupaciones verticales cubriendo los tres sectores

Antenas dobles para diversidad espacial o de polarización

Trabajan con haces estrechos en vertical (6º) y ligeramente inclinados al suelo

Haces anchos en horizontal (65º)

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Agrupaciones planas

! Elementos situados en los puntos de un plano! Reticulares (elementos en los nudos de una retícula)

! Rectangulares! Triangulares

! Circulares (elementos sobre circunferencias concéntricas)! Aleatorios (elementos en puntos aleatorios del plano)

Agrupación de bocinas cónicas en una retícula plana triangular.

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! Cobra Dane! Una gran antena formada

por 34769 elementos radiantes

! Trabaja en 1200 MHz! Forma parte de los radares

de vigilancia en EEUU

Sistemas RadarEmisión de impulsos y

recepción de ecosAntenas directivas (grandes

en longitudes de onda)Gran capacidad de control

Ejemplos arrays planos

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• Elementos situados en sobre una superficie no plana• Cilíndricos (Elementos sobre un cilindro)• Cónicos (Elementos sobre un cono)• Esféricos (Elementos sobre una esfera o semiesfera)• Superficies varias ( Alas de aviones, vehículos etc.)

Arrays conformados

Agrupación cilíndricade ranuras o bocinas sectoriales

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Agrupación con alimentación pasiva

! Utiliza una red de distribución o alimentación formada por elementos pasivos (divisores, líneas de transmisión, adaptadores etc.)! El diagrama de radiación y polarización es fijo! Funciona como una antena única.! Puede tener varios terminales de entrada en la

red (antena multi-diagrama o multihaz).! Suelen ser recíprocas, trabajando en transmisión

y en recepción.

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Array multihaz para Detección de Angulo de Llegada (DOA)

! Sistema de detección de emisiones radar.

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Grandes agrupaciones

Very Large Array (VLA).

Radiotelescopio situado en Socorro, Nuevo Mexico.Trabaja en las bandas desde 1 a 25GHz

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La alimentación de los arrays

a1

b1[S]

a0

b0

! Hasta ahora no se ha considerado cómo se obtienen las alimentaciones de los elementos.

! La teoría básica de agrupaciones supone que:! Las antenas radian de la misma forma que si

estuvieran solas.! La impedancia de entrada de las antenas se

mantiene.! La forma más simple de alimentar es con una red

lineal de una entrada y N salidas.

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Alimentación paralelo

Red de distribución paralelo en línea microstrip a base de divisores Wilkinson

Ejemplo con parches

Las longitudes eléctricas desde la entrada hasta los elementos son idénticas consiguiendo un funcionamiento correcto sobre la anchura de banda propia del elemento. La distribución de amplitud se obtiene controlando los niveles de impedancia en los divisores.

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Alimentación paralelo: circuitos divisores

! T simple ! Divisor Wilkinson

! Híbrido Branch-Line ! Híbrido en anillo

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Alimentación paralelo: ejemplos de divisores

PDN de laboratorio. Alimentador de la antena DBS del satélite HISPASAT I

Demostrador de vuelo de PDN reconfigurable. Alimentador de la antena ASYRIO

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Cobre sobre substrato

Substrato suspendido (Cuclad, 1.5 mm)

Caja de Aluminio (mecanizada)

Teflón para la sujeción del conector

Alimentación paralelo: ejemplos de divisores

Divisor Wilkinson en línea triplacaDivisor Wilkinson en microstrip

para array de parches

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Alimentación paralelo: ejemplos

Arrays de parches conexcitación paralelo: ejemplo de diseño

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Alimentación serie

Los elementos se acoplan a lo largo de una línea de transmisión de forma que la igualdad de fase se consigue separando los elementos una longitud de onda o media longitud de onda más una inversión de fase.

Entrada

AcopladorCarga adaptada

Línea de transmisión

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Alimentación serie: resonante y onda progresiva

Excitación Resonantede parches

Excitación de OndaProgresiva con parches

22

Arrays de Parches Micro-Tira

• Alimentación mediante cavidades traseras

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Alimentación serie: ranuras

dd=λg/2

α πλ

π= − + =2 0g

d

Resonante de ranuras sobre Guía de onda:

El desfasaje para ranuras alternadas es:

kag

gg= = −

2 12

2πλ

λ λ λ

πdkα g +−=

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Alimentación serie: ranuras en guía

Tipos de Ranuras utilizadas:s

L

a b

En la cara ancha se cortan ranuras longitudinales, controlándose el acoplamiento mediante el desplazamiento s.

En la cara estrecha el acoplamiento se controla con el ángulo de inclinación de las ranuras:

( ) ( ) ( )g g g fn g= =β λ λ β1

π⋅λ/λ==a

ssen)(g)s(gg 2gon

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Alimentación serie: arrays resonante

g1 g2 gn gNge

V V V V

λg/2 λg/2 λg/2 λg/2 λg/4

CortoCircuito

gL=0

λg/2 λg/4

d= λg/2 ⇒ α =0 (Elementos alimentados en fase: Array Broadside)

Las admitancias gi, separadas λg/2, se suman a la entrada. g ge nN

= ∑1

( ) ( )P V g a Cte a P g g K an n n n n n n n= = ⇒ ∝ ∝ ⇒ =1 2 1 22 2 2

La constante K se ajusta para adaptación de entrada: g K a K ae nN

nN

= = ⇒ =∑ ∑1 121

21

Conocidas las gn se obtienen los desplazamientos sn de cada ranura.La anchura de banda obtenida para ROE ≤2 es del orden de (50/N)%.

Coeficientes de excitación de las ranuras: a1, a2,... an

La potencia radiada por cada una vale:

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Alimentación serie: arrays resonantes

...Y1Y0=1 Y2Y0=1 Y3Y0=1 YNY0=1

β! β! β! β!

ββ+βββ+β

=

⋅

ββββ

=

!!!

!!!

!!

!!

cossenjcosYsenjsenjYcos

1Y01

cossenjsenjcos

DCBA

n

n

nYnY0=1

β!

∏=

ββ+βββ+β

=

N

1n n

n

cossenjcosYsenjsenjYcos

DCBA

!!!

!!!

DCBAZin +

+=DCBA

2+++

=Γ

Impedancia y ancho de banda:

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Alimentación serie: arrays resonantes

R.O.E. de un array resonante uniforme BW de un array resonante

Impedancia y ancho de banda:

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Alimentación serie: arrays de onda progresiva

Arrays con muchos elementos, ➔ gn pequeñas, ➔ pequeñas reflexiones.La suma se tiende a cancelar por no sumarse en fase.Se disipa una fracción de potencia (10% a 20%, 0,1≤r ≤0,2) en la carga terminal.Si la ley de excitación es: a1, a2,.. an...:

g1 g2 gn gN

V1 V2 V3 VN

d d d d

gL =1

dCarga

Adaptada

θmax

d ≠ λg/2 ⇒ α ≠ 0 ⇒ θ max ≠ π/2 (pero próximo)

P V g P r V g PP r

P V g g PP P r

g Pr P

PP

N N N N N NN

N

N N N NN

N N

nn

ii n

Nn

ii

n

= + ≈ ⇒ =+

= ⇒ =+ +

=+

=−

− − − −−

−

= =

−∑ ∑

12

12

12

1

2 2

1 12

1 11

1

1

1

( )P C a C a r C r a Pn n nN

nN

n= ⇒ = − ⇒ = − ⇒∑ ∑2 21

21

1 1

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Alimentación serie: arrays onda progresiva

Array de exploración con la frecuencia:

! El desapuntamiento viene definido a través del margen de visibilidad.

con las limitaciones:

! No radiación endfire:

! No grating lobes:

dm

dssenm2ssenkd

g0g0

λ−λλ=θ⇒π−β=θ

msd

g

−λ

≥λ

0sen11d

θ+<

λ

s

d

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Otros tipos de excitación

Las longitudes eléctricas desde la entrada hasta los elementos son idénticas consiguiendo un equilibro de fases en la apertura. La distribución de potencia se hace por acoplamientos entre la antena de alimentación y las antenas colectoras.

Excitaciones con lentes:

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Otros tipos de excitación

Los elementos radiantes (p.e. parches) reradian el campo cuando se alimentan a través de una bocina, y mediante sus dimensiones físicas se produce el desfasaje necesario para conseguir el diagrama de radiación requerido.

Reflectarrays:

Reflectarray de J.A. Zornoza y J.A. Encinar

Polarización X

Plano E

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Otros tipos de excitación

Los elementos radiantes (p.e. ranuras) se pueden excitar también a través de una guía radial, resultando unas pérdidas mucho menores que con excitación a través de línea microstrip o de línea triplaca.

Línea radial:

Pérdidas en distintas guías (M.Ando y J. Hirokawa)Antena de ranuras excitada a través

de postes en guía radial

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Arrays multihaz: matrices de Butler

! BFN con el mínimo número de elementos

! Implementación hardware del algoritmo de la FFT

! La tabla inferior corresponde a excitación uniforme y d=λ/2

! d>λ/2 produce lóbulos emergentes

N SLL(dB) Nivel de Cruce (dB)4 11.30 -3.708 12.80 -3.8716 13.15 -3.9132 13.3 -3.92∞ 13.26 -3.92

1 N2 3d

Nd2isen iλ±=θ

( )Nd2

1Nsen2 1cov

λ−=θ −

θi

θcov

34

- 30

- 20

- 10

0

-90

-75

-60

-45

-30

-15 0 15 30

45 60 75 90

T h e t a ( d e g )

dB

Arrays multihaz: ejemplo con matriz de Butler

Red de excitación Estructura radiante

Diagrama de radiación monopulso

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Arrays multihaz: matrices de Blass y de Nolen

! Ambas matrices son implementaciones del algoritmo de la DFT:! Matriz de Blass: Sólo con coeficientes reales! Matriz de Nolen: Con amplitudes y fases

Matriz de Blass Matriz de Nolen

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Arrays multihaz: lentes multihaz

! Lentes de Rotman! Lentes circulares

! R2R! RkR

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Arrays multihaz: redes formadoras de haz

Matriz de Butler 2-Dy Roseta 2-D

Agrupación 2-D de Lentes de

Rotman

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Agrupación con alimentación activa

! El que utiliza redes lineales activas, fijas o variables, para alimentar el grupo.! Permite amplificación distribuida en la antena! Reduce el ruido de recepción! Permite control activo de las excitaciones (phased array)! Permite procesado de la señal recibida

BalunAmp.Desfasador

Diviso

r

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Agrupaciones activas

++

LNA

DetDet

IFA

A/DA/DLPF

Agrupacióncon control en FI

LNA

LNA

W1W1

W2W2

WMWM

! Mejora la figura de ruido en recepción al unir los amplificadores a las antenas

! Permite separar las antenas de los circuitos combinadores evitando la influencia de la impedancia activa

! Permite modificar la fase y por tanto la dirección de apuntamiento.

! Puede modificar la amplitud y por tanto el nivel de lóbulos y diagrama.

! Recepción simultánea de varios diagramas

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Agrupaciones activas en transmisión

++ModMod

IFA

D/AD/ALPF

Agrupacióncon control en FI

PA

PA

W1W1

W2W2

WMWM

PA! Aumenta la potencia de transmisión al evitar las pérdidas en la red.

! Reduce las prestaciones de los amplificadores de potencia. (Ganancia distribuida)

! Permite modificar la fase y por tanto la dirección de apuntamiento.

! Puede modificar la amplitud y por tanto el nivel de lóbulos y diagrama.

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Arrays activos: tecnología

" Desfasadores variables:" Diodos PIN (conmutadores): líneas conmutadas o cargadas" Diodos varactores en branch-line" Ferritas en guía de onda

" Atenuadores variables:" Atenuadores digitales (diodos PIN)" Moduladores vectoriales analógicos (amplitud y fase)

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Arrays activos: componentes

Desfasador variable Raytheon Atenuador variable Raytheon

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Arrays adaptativos

! Un procesador digital permite:! Control digital de

diagramas! Diagramas

dependientes de ! frecuencia! tiempo! código

! Diagramas simultáneos variables

A/DA/DLNA IFAIFFilter

A/DA/D

LPF

A/DA/DLNA IFAIFFilter

A/DA/D

LPF

Receptor con muestreo en Banda Base

….

Proc

esad

or d

igita

l de

seña

les

Proc

esad

or d

igita

l de

seña

les

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Acoplos en arrays

! Cuando varias antenas se agrupan:! Si alimentamos solo una antena! Parte de la excitación de una antena se

induce en las demás! Las demás también radian! Parte de la potencia aparece en los

terminales de otras antenas.! Pueden excitarse modos superiores.

V1

45

Acoplos en arrays: efectos

Entrada

Antena 1

Antena 2

Antena 3

Antena 4

Antena 5

Antena 6

Antena 7

Antena 8

Antena 9

Antena 10

Antena 11

Antena 12

Red medida

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

theta (deg)

E (d

B)galibo-mingalibo-max1.71 GHz1.80 GHz1.88 GHz

Diagramas estimados con la alimentación de la red sin tener en cuenta los acoplos

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Acoplos en arrays: efectos

0 2 4 6 8 10 12-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

0 2 4 6 8 10 12-2

-1.5-1

-0.50

0.51

1.5

22.53

Amplitud fase

0 20 40 60 80 100 120 140 160-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0f=1710MHzf=1795MHzf=1880MHz

Errores en amplitud y fase

Diagramascon acoplos

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Acoplos en arrays: justificación

! Al situar varias antenas próximas en pequeños arrays! La radiación de cada antena genera modos de radiación distintos en

las demás.! Parte de la señal de entrada a una antena se acopla a los terminales

de las demás a través de la red de alimentación.V1

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Red de alimentación pasiva

! Suponemos una red de alimentación pasiva y recíproca de N+1 terminales caracterizada por la matriz S

[ ]

=

=

Cg

Tg

Sss00

,1,

,11,1

0,

0,1

,01,00,0

............

......

...S

SS

SS

S

SSSS

S

NNN

N

N

N

Sa SrSe Sd

a1

b1 be1Z0

be2Z0

beNZ0

S00 slsg Sc

a0

b0

49

Campo radiado teniendo en cuenta acoplos

( ) [ ] iiiSiii rrjkFed φθ φθφθφθφθφθ dˆdˆ),(ˆexp),(),(ˆ, 0 +=="

rrjkaE rad)exp(2 0

00−= ηge

T sCd"

( ) 1aCee SS-ISC −=

Campo radiado

Vector de radiación del elemento

sg= Vector de alimentación teórico

Cesg= Vector de alimentación real

Se Representa elacoplo en radiación

(I-ScSa)-1 Representala impedancia activa

0agee sCb =

50

Campo radiado teniendo en cuenta acoplos

Síntesis del vector de alimentación

Se-1be= Vector de alimentación en adaptación

Dos opcionessencillas

0agee sCb = ( ) e1

eaCg bSSS-Is −=

Alimentación deseada

Red adaptada. Sc=0

Antena adaptada. SaSe-1be=0

Sc depende de sg

51

Red de alimentación adaptada

! Si Sc=0 la impedancia no afecta al diagrama!!! Sólo afecta al las pérdidas por desadaptación! REDES ADAPTADAS A LA SALIDA.! a=sga0

0

00,00

0000

0

aaSbó

aSb

g

Tg

g

Tg

sabs

bss

a

=

+=

=

Se diseña sg para que los coeficientes de alimentación sean be=Sesg ⇒ sg=Se

-1be

Sa SrSe Sd

a1

b1 be1Z0

be2Z0

beNZ0

S00 slsg Sc

a0

b0